Turbinas a Vapor

Curso de Graduação em Engenharia Mecânica Disciplina: Tecnologia do Calor II – MEC 4028-2 Período: 4º - 2º semestre de 2007 Professor: Otavio Henrique Paiva Martins Fontes Aula nº 5: Turbinas a Vapor

Turbinas a Vapor 

Definições

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Princípios Básicos de Funcionamento

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Elementos de Construção de Turbinas a Vapor 

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Classificação das Turbinas a vapor 

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Projeto e dimensionamento de Turbinas

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Dispositivos de regulagem e segurança

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Materiais empregados

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Manutenção e reparo de turbinas a vapor 

Turbinas a Vapor - Definições 

Turbinas a Vapor são Máquinas Térmicas que utilizam a energia do vapor sob forma de energia cinética. Deve-se transformar em energia mecânica a energia contida no vapor  sob a forma de energia térmica e de pressão. pressão.

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A história registra a construção de dispositivos rudimentares, que se baseavam nos princípios de ação ou de reação das turbinas atuais em épocas longínquas.

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O desenvolvimento da turbina a vapor, como um tipo realmente útil de acionador primário até a sua forma atual, ocorreu somente nos últimos setenta anos.

Turbinas a Vapor - Definições 

As turbinas de uma forma geral, são motores rotativos que convertem em energia mecânica a energia de uma corrente de água (turbinas hidráulicas), vapor d'água (turbinas a vapor) ou ar (turbinas a gás). O elemento básico da turbina é a roda ou rotor, que conta com palhetas, hélices, lâminas ou cubos colocados ao redor de sua circunferência, de forma que o fluido em movimento produza uma força tangencial que impulsiona a roda, fazendo-a girar.

Turbinas a Vapor - Definições

Figura 1 – Turbina “Tipo Francis”, utilizada na Hidrelétrica de Itaipu

Turbinas a Vapor - Definições

Princípios Básicos de Funcionamento Em uma turbina a vapor a transformação de energia do vapor  em trabalho é feita em duas etapas: inicialmente, a energia do vapor é transformada em energia cinética. Para isso o vapor é obrigado a escoar através de pequenos orifícios, de formato especial, denominados expansores, expansores, onde, devido à   pequena área de passagem, adquire alta velocidade, aumentando sua energia cinética, mas diminuindo, em conseqüência, sua entalpia (energia).  Em um expansor, além do aumento de velocidade e da diminuição da entalpia, ocorrem também queda na pressão, queda na temperatura e aumento no volume específico do vapor. 

Princípios Básicos de Funcionamento 

 Na segunda etapa da transformação, a energia cinética obtida no expansor é transformada em trabalho mecânico. Esta transformação de energia pode ser obtida de duas maneiras diferentes: segundo os princípios da Ação eu Reação.

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Assim sendo os princípios da Ação e Reação são as duas formas básicas como podemos obter trabalho mecânico através da energia cinética inicialmente obtida.

Princípios Básicos de Funcionamento A

C

B

D

Figura 2 - (A e B) Turbinas de Reação e Ação; (C e D) Princípios da Reação e Ação

Princípios Básicos de Funcionamento 

Se o expansor for fixo e o jato de vapor dirigido contra um anteparo móvel, a força de ação do jato de vapor irá deslocar o anteparo, na direção do jato, levantando o peso W.

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Se, entretanto o expansor puder mover-se, a força de reação, que atua sobre ele, fará com que se desloque, em direção oposta do jato de vapor, levantando o peso W.

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Em ambos os casos a energia do vapor foi transformada em energia cinética no expansor e esta energia cinética, então, convertida em trabalho.

Princípios Básicos de Funcionamento 

  Newton afirmou que é necessário exercer uma força para mudar a velocidade (tanto em módulo como em direção) de um corpo em movimento. Este princípio está ilustrado na caixa D da figura 2. O jato de vapor (um corpo em movimento) tem sua velocidade modificada pelo anteparo circular, colocado em seu caminho. A força resultante move o anteparo, na direção do jato, e levanta o peso W. Ação. Este é o Princípio da Ação.

Princípios Básicos de Funcionamento 

  Newton estabeleceu que a cada ação corresponde uma reação igual (de mesma intensidade) e contrária.

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Esta lei é a base teórica que explica o funcionamento tanto de um foguete espacial ou de um avião a jato puro.

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Imagine que a caixa D da figura 2 não tenha abertura alguma e esteja cheia de vapor sob pressão. A pressão agindo em qualquer parede equilibra exatamente a pressão agindo na   parede oposta e, havendo balanceamento de forças, a caixa  permanecerá em repouso.

Princípios Básicos de Funcionamento 

Entretanto, se fizermos um furo em um dos lados da caixa e colocarmos neste furo um expansor, haverá, através do expansor, um jato de vapor e a pressão no expansor será menor do que a pressão no ponto correspondente da parede oposta. O desbalanceamento de forças, então produzido, fará a caixa mover-se na direção oposta a do jato de vapor. Reação. Este é o Princípio da Reação.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor 

Uma turbina a vapor é composta basicamente dos seguintes componentes:  Estator (roda fixa);  Rotor (roda móvel);  Expansor;  Palhetas;  Diafragmas;  Disco do rotor;  Tambor rotativo;  Coroa de palhetas;  Aro de consolidação;  Labirintos;  Deflectores de Óleo;  Carcaça;  Mancais de deslizamento e escora;  Elementos de controle (periféricos).

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  STATOR (RODA FIXA) 

É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é transformar a energia potencial (térmica) do vapor em energia cinética através dos distribuidores;

OTOR (RODA MÓVEL) 

É o elemento móvel da turbina (envolvido pelo estator) cuja função é transformar a energia cinética do vapor em trabalho mecânico através dos receptores fixos.

 XPANSOR 

A função do expansor é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis.   No expansor o vapor perde pressão e ganha velocidade. Podem ser  convergentes ou convergentes-divergentes, conforme sua pressão de descarga seja maior ou menor que 55% da pressão de admissão. São montados em blocos com 1, 10, 19, 24 ou mais expansores de acordo com o tamanho e a potência da turbina e conseqüentemente terão formas construtivas específicas, de acordo com sua aplicação.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Figura 3 – Estator, eixo do rotor e palhetas móveis.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Figura 4 - Estator

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  PALHETAS  

Palhetas móveis são aquelas fixadas ao rotor, enquanto que palhetas fixas são fixadas no estator.

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As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de   palhetas móveis seguinte. Podem ser encaixadas diretamente no estator (carcaça) ou em rebaixos usinados em peças chamadas de anéis suportes das palhetas fixas, que são, por sua vez, presos à carcaça.



As palhetas móveis tem a finalidade de receber o impacto do vapor    proveniente dos expansores (palhetas fixas) para movimentação do rotor. São fixadas ao aro de consolidação pela espiga e ao disco do rotor pelo “malhete” e, ao contrário das fixas, são removíveis, conforme podemos ver na figura 5 e 6.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor ESPIGA

PALHETA

PALHETA MALETE DISCO DO ROTOR  ESPIGA PALHETA PALHETA DISCO DO ROTOR 

MALETE

Figura 5 – Detalhes construtivos de uma palheta.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Figura 5a – Detalhe esquemático de alguns dispositivos de fixação de palhetas.

Figura 6 – Fixação das palhetas móveis

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Figura 7 – Exemplo de palhetas

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  DIAFRAGMAS 

São constituídos por dois semicírculos, que separam os diversos estágios de uma turbina de ação multi-estágio. São fixados no estator, suportando os expansores e “abraçando” o eixo sem tocá-lo. Entre o eixo e o diafragma existe um conjunto de anéis de vedação que reduz a fuga de vapor de um para outro estágio através da folga existente entre diafragma-base do rotor, de forma que o vapor só passa   pelos expansores. Estes anéis podem ser fixos no próprio diafragma ou no eixo. Este tipo de vedação é chamado de selagem interna. 

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Figura 8 – Diafragma com anel de palheta.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  DISCO DO ROTOR 

É a peça da turbina de ação destinada a receber o empalhetamento móvel.

TAMBOR ROTATIVO 

É basicamente o rotor da turbina de reação, que possui p ossui o formato de um tambor cônico onde é montado o empalhetamento móvel.

COROA DE PALHETAS  

É o empalhetamento móvel montado na periferia do disco do rotor e dependendo do tipo e da potência da turbina pode existir de uma a cinco coroas em cada disco do rotor.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor 

É uma tira metálica, secionada, presa às espigas das palhetas móveis com dupla finalidade: aumentar a rigidez do conjunto, diminuindo a tendência à vibração das palhetas e reduzindo também a fuga do vapor pela sua periferia.



São utilizadas nos estágios de alta e média pressão envolvendo de 6 a 8 palhetas cada seção. Nos estágios de baixa pressão, é substituído por um arame amortecedor, que liga as palhetas, não por suas extremidades, mas em uma posição intermediária inter mediária mais próxima da extremidade que da base da palheta (Figura 9).

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Figura 9 - Aro de consolidação, Disco rotor, e Coroa de palhetas

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Figura 10 – Foto de uma seção de palhetas

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  ABIRINTOS 

São peças metálicas circulantes com ranhuras existentes nos locais onde o eixo sai do interior da máquina atravessando a carcaça cuja função é evitar o saída de vapor para o exterior  nas turbinas não condensantes e não permitir a entrada de ar    para o interior nas turbinas condensantes. Esta vedação é chamada de selagem externa.    Nas turbinas de baixa pressão utiliza-se vapor de fonte externa ou o próprio vapor de vazamento da selagem de alta   pressão para auxiliar esta vedação, evitando-se assim não sobrecarregar os ejetores e não prejudicar o vácuo que se obtém no condensador, como vemos na Figura 11: 

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Figura 11 – (A) Selagem de baixa pressão; (B) Selagem de alta pressão.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  DEFLECTORES DE ÓLEO 

Tem por finalidade evitar que um possível vazamento axial de óleo, venha a contaminar o sistema de alimentação por  intermédio da drenagem do engaxetamento, ou vice-versa, que o vapor venha a se condensar no mancal, causando a contaminação do óleo que ali trabalha.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor CARCAÇA  A carcaça de uma turbina nada mais é que o suporte das partes estacionárias tais como diafragmas, palhetas fixas, mancais, válvulas, etc. Na grande maioria das turbinas são de partição horizontal, na altura do eixo, o que facilita a manutenção.  MANCAIS DE APOIO (RADIAIS)  São distribuídos, normalmente, um em cada extremo do eixo da turbina com a finalidade de manter o rotor numa posição radial exata. Os mancais de apoio suportam o peso do rotor e também qualquer outro esforço que atue sobre o conjunto rotativo,   permitindo que o mesmo gire livremente com um mínimo de atrito. São na grande maioria mancais de deslizamento, como mostra a Figura 12, constituídos por casquilhos revestidos com metal patente, com lubrificação forçada (uso especial) o que melhora sua refrigeração e ajuda a manter o filme de óleo entre eixo e casquilho.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor

Figura 12 – Mancal de Deslizamento

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor  MANCAIS DE ESCORA  O mancal de escora é responsável pelo posicionamento axial do conjunto rotativo em relação às partes estacionárias da máquina, ou seja, pela manutenção das folgas axiais.

Figura 13 – Mancal de escora

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor 

VÁLVULAS DE CONTROLE DE ADMISSÃO Após estabilizada, a turbina opera entre condições de vapor estáveis, nas quais as variações da carga devem ser atendidas por meio do controle da vazão de vapor admitida na máquina. Esta função é executada, automaticamente, pelas válvulas de controle de admissão, sob controle de um dispositivo, o regulador (governador).  O regulador é ligado ao eixo da turbina, diretamente ou por meio de uma redução, girando, portanto, a uma rotação igual ou  proporcional à rotação da turbina, e sente as flutuações da carga por  intermédio de seu efeito sobre a velocidade da turbina. Assim, quando ocorre, por exemplo, um aumento de carga, se a vazão do vapor permanecer inalterada, haverá uma queda da velocidade da turbina. 

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor 

O regulador sente esta queda de velocidade incipiente e comanda uma abertura maior das válvulas de controle de admissão, permitindo a passagem de uma vazão maior de vapor, necessária ao aumento da carga e ao estabelecimento da velocidade inicial. Existem dois tipos   básicos para as válvulas de controle de admissão: a construção “multi-valve” e a construção “single-valve”.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor 

VÁLVULAS DE CONTROLE DE EXTRAÇÃO 

Algumas turbinas possuem uma retirada parcial de vapor, em um estágio intermediário, e portanto a uma   pressão intermediária entre a de admissão e a de descarga, conhecida como extração. Como a pressão em um ponto qualquer ao longo da turbina varia, quando variam as condições de carga da turbina, se a extração consistir simplesmente em um flange, através do qual   poderemos retirar vapor, após um determinado estágio da máquina, a pressão do vapor extraído será influenciada pelas condições de carga da turbina.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor 

As válvulas de controle de extração funcionam de maneira semelhante às válvulas de controle de admissão, só que controladas pela pressão do vapor extraído, através do controlador de pressão de extração, e não pela velocidade da turbina, através do governador.

Elementos de Construção de Turbinas a Vapor 

VÁLVULAS DE BLOQUEIO AUTOMÁTICO 

A maneira usual de parar uma turbina a vapor é pelo fechamento rápido de uma válvula, chamada válvula de bloqueio automático, colocada em série com válvula de controle de admissão, o que corta totalmente a admissão de vapor para a turbina. Esta válvula é também conhecida como válvula de desarme rápido e como válvula de "trip".



O dispositivo de desarme por sobrevelocidade protege a turbina, impedindo que opere em velocidades superiores à velocidade de “trip”, onde as tensões resultantes da força centrífuga poderiam ser    perigosas para a resistência mecânica do conjunto rotativo da turbina.

Classificação das Turbinas a Vapor 

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

Os dispositivos apresentados na figura 2 mostram apenas os princípios básicos de funcionamento. A partir destes princípios iremos iremos derivar uma uma TURBINA DE AÇÃO E DE REAÇÃO. Se tivermos um expansor, montado em uma câmara de vapor estacionária, dirigindo um jato para uma palheta, montada na periferia de uma roda, teremos uma turbina de ação elementar. elementar.  Obs.: expansor é o órgão ou componente cuja função é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No expansor o vapor perde pressão e ganha velocidade.

Classificação das Turbinas a Vapor 

Em uma turbina de ação real teremos, a não ser em máquinas de potência muito pequena, não apenas um, mas vários expansores, em paralelo, constituindo um arco ou um anel de expansores, conforme ocupem apenas parte ou toda a circunferência. Os anéis de expansores são também conhecidos como rodas de palhetas fixas. Os expansores dirigem seu jato de vapor na direção não de uma palheta, mas de uma roda de palhetas móveis, conforme ilustra a Figura 14:

Figura 14 – Estágio de Ação

Classificação das Turbinas a Vapor Vapor em alta velocidade incide sobre Palhetas Móveis 

Conversão de Energia Cinética em Mecânica 

Vapor atravessa Palhetas Móveis a pressão constante atuando sobre elas através de sua velocidade 

Queda de Pressão de Vapor  nos Bocais e Queda de Entalpia associada 

Transformação da variação de Entalpia em Energia Cinética 

Figura 15 – Exemplo de turbina de ação.

Classificação das Turbinas a Vapor 

Em uma turbina de reação comercial teremos sempre vários estágios, colocados em serie, sendo cada estágio constituído de um anel de expansores (também chamado de roda de palhetas fixas), seguido de uma roda de palhetas móveis, como está apresentado esquematicamente esquematicamente na Figura 16:

Figura 16 – Estágio de Reação

Classificação das Turbinas a Vapor

Utilizam a Pressão de Vapor e a sua expansão nas rodas móveis. 

Vapor se expande nas Palhetas fixas e nas rodas móveis. 

Pressão variável nas rodas móveis. 

Figura 17 – Exemplo de turbina de reação.

Classificação das Turbinas a Vapor Tanto as palhetas fixas, como as palhetas móveis têm seção assimétrica, o que resulta em áreas de passagens convergentes, para o vapor, em ambas. Por esta razão, em uma turbina de reação comercial, parte da expansão do vapor  ocorrerá nas palhetas fixas e parte ocorrerá nas palhetas móveis.  Isto representa um desvio do princípio de reação puro, segundo o qual toda a expansão deveria ocorrer nas palhetas móveis.  O que chamamos comercialmente de turbina de reação é uma combinação com grandes saltos de entalpia (energia) e onde a   preocupação com a eficiência é essencial, possibilitando a ocorrência de velocidades excessivas nas palhetas, incompatíveis com sua resistência mecânica. 

Classificação das Turbinas a Vapor A solução para o problema é dividir o aproveitamento do salto de entalpia em vários saltos menores, subseqüentes, que chamamos de estágios. Máquinas de grande potência tem vários estágios, colocados em série, podendo ser tanto de ação como de reação.   Nas palhetas fixas teremos uma expansão parcial do vapor, resultando em uma queda de pressão e em um aumento da velocidade.    Nas palhetas móveis ocorrerá o restante da expansão, resultando em uma segunda queda de pressão e em um aumento da velocidade do vapor em relação à palheta. 

Classificação das Turbinas a Vapor 

Sendo assim podemos dividir as turbinas quanto aos seguintes critérios: 

Quanto ao arranjo dos estágios;



Quanto a direção do fluxo de vapor;



Com relação a seqüência de fluxo de vapor;



Quanto a ligação ao equipamento acionado;



Quanto a pressão de descarga.

Classificação - Quanto ao arranjo dos estágios 

TURBINAS CURTIS (ação) 

Trata-se de uma turbina de ação com escalonamentos (estágios) de velocidades. É aquela que possui mais de uma coroa de palhetas móveis por estágios de pressão.

Figura 18 – Estágios de velocidade

Classificação - Quanto ao arranjo dos estágios 





O estágio de velocidade é composto de um arco de expansores, seguido por duas rodas de palhetas móveis, entre as quais há um arco de palhetas guias. Toda a queda de pressão do estágio ocorre nos expansores. A velocidade do vapor, porém, é absorvida apenas parcialmente na primeira roda de palhetas móveis. O vapor deixa, então, esta roda com uma energia cinética ainda elevada que será aproveitada em uma segunda roda de palhetas móveis. Apenas com a finalidade de reorientar o jato de vapor, para que o esforço sobre a segunda roda de palhetas móveis seja de sentido igual ao do esforço sobre a primeira roda, é colocado entre ambas um arco de palhetas guias.

Classificação - Quanto ao arranjo dos estágios É importante notar que não há expansão nas palhetas guias, permanecendo constantes, ao longo delas, tanto a  pressão como a velocidade.  Por este motivo, estas palhetas têm um formato simétrico e seções constantes, à semelhança das palhetas móveis de estágios de ação. O estágio de velocidade, que acabamos de descrever é mostrado a direita da Figura 5.  As Palhetas Fixas/Bocais convertem a Energia Térmica em Energia Cinética e redirecionam o fluxo de vapor.  As Palhetas Móveis convertem a Energia Cinética em trabalho. 

Classificação - Quanto ao arranjo dos estágios 

TURBINAS “RATEAU” (AÇÃO)  Trata-se de uma turbina de ação tangencial, desenvolvida inicialmente pelo francês Rateau em 1890, com escalonamentos de  pressão.  Ao invés de uma queda total da pressão de vapor ocorrer em um único grupo de expansores, essa queda poderá ser dividida em uma ou mais etapas.  Ao deixar a primeira turbina, ao invés de ser descarregado passa por  um segundo grupo de expansores, para em seguida passar por uma segunda seção de palhetas móveis. E assim sucessivamente, em função do número de estágios.  Como uma única queda de pressão ocorre nos expansores, cada conjunto de um grupo de expansores e da ordem de palhetas seguinte constitui a turbina denominada “Rateau”. E cada um dos estágios que a constitui um estágio “Rateau”.

Classificação - Quanto ao arranjo dos estágios

Figura 19 – Esquema de uma Turbina “Rateau”.

Classificação - Quanto ao arranjo dos estágios 

TURBINAS DE REAÇÃO  Tanto nas palhetas fixas quanto nas móveis, ocorre expansão do vapor, ocorrendo portanto uma transformação contínua de energia cinética em energia mecânica.  Este fato justifica uma maior velocidade relativa de vapor na saída das palhetas do que na entrada, o que faculta nas turbinas a reação a utilização de múltiplos estágios, ou seja, elas são construídas de modo que a queda de pressão, da admissão do vapor a sua descarga, ocorra em quedas gradativas e parciais.  Isto ocorre por meio de diferentes ordens de palhetas fixas e móveis (escalonamento), de tal sorte que cada  palheta fixa e móvel formam um estágio (ordem).

Classificação - Quanto ao arranjo dos estágios

Figura 20 – Triângulo de velocidade teórico de uma turbina de reação.

Classificação – Quanto a direção do fluxo 

Podem ser classificadas de acordo com a direção do fluxo de vapor em relação ao eixo ou ao rotor:   



Turbinas de fluxo axial; Turbinas de fluxo radial: centrífuga e centrípeta; e Turbinas de fluxo tangencial helicoidal.

Turbinas de Fluxo Axial 





São aquelas nas quais o vapor percorre uma direção paralela ao seu eixo. São ainda empregadas com qualquer grau de expansão pois são de fácil construção, bastando para tal aumentar o nº de estágios. Todas as turbinas de propulsão e as turbinas que acionam geradores elétricos são axiais. (vide figura 24)

Classificação – Quanto a direção do fluxo

Figura 21 – Turbina Axial (Turbo –Gerador).

Classificação – Quanto a direção do fluxo 

Turbinas de Fluxo radial 

O percurso de vapor ocorre na direção do raio geométrico e as palhetas são montadas perpendicularmente à superfície plana do disco.



Dividem-se em radial centrífuga (a admissão do vapor é feita do eixo para a periferia do rotor) e radial centrípeta (a admissão do vapor é feita da periferia do rotor para o eixo).

Classificação – Com relação a seqüência do fluxo de vapor 

Caracteriza-se pelo número de vezes que o vapor passa pela mesma ordem de palhetas móveis antes de descarregar. Podem ser:  Simples fluxo: o vapor admitido percorre um caminho  paralelo ao seu eixo;  Fluxo em série: eixos em linha e eixos paralelos (vertical ou horizontal);  Fluxo reentrante: o vapor trabalha mias de uma vez na mesma e única coroa de palheta móveis. m óveis.

Classificação – quanto a ligação ao equipamento acionado 

Ligação Direta: o equipamento acionado está diretamente ligado no prolongamento de seu eixo, ou seja, tanto o eixo da turbina como o eixo de seu utilizador estão alinhados, ocupando assim a mesma “linha de centro”.



Ligação Indireta: são aquelas que possuem entre o seu eixo e o do utilizador uma engrenagem redutora de velocidade. velocidad e.

Classificação – quanto a pressão de descarga 



Turbinas de Condensação: quando a pressão de descarga for menor que a pressão atmosférica Turbinas de Contra-Pressão (ou não-condensante): quando a pressão de descarga for maior que a pressão atmosférica.

Classificação – quanto a pressão de descarga

Figura 22 – Turbinas Condensantes

Classificação – quanto a pressão de descarga

Figura 23 – Turbinas não-condensantes

Classificação – quanto a pressão de descarga Algumas definições: a) Turbina de Fluxo Direto (simples fluxo): é a turbina em que o vapor  admitido atua do primeiro ao último estágio sem qualquer retirada de Vapor;   b) Turbina com Reaquecimento: todo o fluxo de vapor admitido na máquina é retirado em um estágio intermediário, reaquecido na caldeira, e retorna ao estágio seguinte da turbina, de onde evolui, através dos estágios finais, até a descarga; c) Turbinas com Extração Automática: há em um, dois ou três estágios intermediários, uma retirada parcial de vapor, para fins de aquecimento ou uso no processo industrial. A pressão do vapor  extraído é mantida constante por meio das válvulas de controle de extração.

Classificação – quanto a pressão de descarga d) Turbinas com Extração não-automática: pode haver até nove pontos de retirada de vapor, em diferentes estágios e pressões. A pressão do vapor  extraído, em cada ponto de extração, de uma turbina com extrações nãoautomáticas, varia com as flutuações da carga da turbina; e) Turbina de Indução: se em uma determinada instalação houver  disponibilidade de dois fluxos de vapor, um de alta pressão e outro de média pressão, ambos podem ser combinados para acionar uma turbina de indução; f) Turbina com Extração-Indução: em alguns casos particulares de instalações onde ora há um consumo de vapor de média pressão, ora há uma produção deste mesmo vapor, poderemos usar uma u ma turbina com extração-indução;

Classificação – quanto a pressão de descarga g) Turbinas com duplo fluxo: em turbinas de condensação de  potência elevada, as áreas necessárias à passagem do vapor  crescem consideravelmente nos últimos estágios da máquina, o que obrigaria o uso de palhetas de altura excessiva nestes estágios finais. Para diminuir os inconvenientes mecânicos que resultariam destas palhetas muito grandes, emprega-se nestes casos, turbinas com fluxo dividido na descarga.

Projeto e dimensionamento de turbinas a vapor

Projeto e dimensionamento de turbinas a vapor 

O projeto e dimensionamento de uma turbina a vapor,  passa fundamentalmente pelos seguintes aspectos:  

Definição da potência que se deseja gerar; Estudo termodinâmico da quantidade de energia que deseja-se  produzir;



Dimensionamento Dimensionamento da turbina para a potência desejada: esquema de velocidades, quantidade de palhetas por estágios, quantidade de estágios, materiais a serem empregados (temperaturas de trabalho);



Dimensionamento Dimensionamento dos demais elementos de construção.

Dispositivos de regulagem e segurança 

Os dispositivos de regulagem e segurança são fundamentais para uma operação eficiente e segura do sistema, quais sejam: 

Controle das variáveis do sistema de vapor: •

• • • • • • • •

Pressão de admissão de vapor (válvulas garganta, parcializadora e contorno); Temperatura de admissão de vapor; Pressão do anel dos expansores; Pressão após o estágio de regulagem; Pressão de extração do vapor; Temperatura de extração de vapor; Pressão de escape de vapor; Temperatura de escape de vapor; Pressão de selagem de vapor.

Dispositivos de regulagem e segurança 

Controle da Variáveis do sistema de óleo lubrificante: • • • • • • • •



 Nível de óleo no tanque; Temperatura de óleo no tanque; Temperatura na entrada/saída do resfriador de óleo; Pressão após a bomba; Pressão diferencial do filtro; Pressão do óleo de lubrificação; Pressão do óleo de regulagem; Temperatura dos mancais da turbina e redutora.

Controle de variáveis relativas ao posicionamento dos eixos e mancais: • •

Posicionamento axial; Vibração do eixo e ou caixa dos mancais.

Dispositivos de regulagem e segurança 

Controle dos desarmes (“TRIPS”)  

Desarme de sobrevelocidade (TRIP de velocidade); Desarme de baixa pressão de óleo lubrificante (TRIP OL);

Materiais Empregados Os componentes de uma turbina estão submetidos a diferentes condições de serviço (pressão, temperatura, esforços mecânicos,etc.).  Assim sendo, a condição de equilíbrio entre custo x benefício,   prevalecerá na definição dos critérios de dimensionamento e especificação dos diversos materiais empregados na fabricação destes componentes.  O controle dos materiais a serem empregados é definido através de ensaios mecânicos e não-destrutivos, a saber: tração, compressão, flambagem, fadiga, fluência, ensaios químicos, metalográficos e elétricos, etc., em peças acabadas ou em  processo de fabricação. 

Materiais Empregados 





As partes críticas de uma turbina, metalurgicamente falando, são aquelas em contato com o vapor de admissão (alta pressão e alta temperatura) visto que as características mecânicas do material sofrerão alterações microestruturais com a com a elevação da temperatura. A partir de uma dada temperatura e combinado com esforços cíclicos, surge o fenômeno de fluência no aço que promove modificação da resistência mecânica e queda do módulo de elasticidade (rigidez do material). Cabe ressaltar que os materiais de uma forma genérica devem atender  alguns requisitos, tais como:  





 boa resistência à oxidação e corrosão;   boa estabilidade estrutural sob elevada temperatura durante um espaço de tempo prolongado; apresentar dureza superficial para resistir a erosão (palhetas B.P. em turbinas de condensação); Possuir boa soldabilidade.

Materiais Empregados CARCAÇA 





Pode-se utilizar ferro fundido, aço ou liga de aço, dependendo das condições pressão e temperatura. Geralmente são bipartidas horizontalmente, horizontalmente, como mostra a Figura 6.1 e unidas por parafusos prisioneiros com junta metálica entre elas. Pode ser sub-dividida ao longo do seu comprimento caracterizando assim as seções de alta e baixa pressões.

Figura 24

Materiais Empregados CONJUNTO ROTATIVO 

Fabricado por meio de rodas montadas com interferência e chavetadas em um eixo único.



Para máquinas de alta rotação usa-se uma construção integral para o conjunto rotativo, com as rodas e o eixo obtidos a partir de um forjado único.



Em ambos os casos é indispensável o balanceamento estático e dinâmico do conjunto rotativo.

Materiais Empregados PALHETAS  Os seguintes requisitos devem ser considerados no projeto de palhetas:    





O desempenho termodinâmica e a eficiência da palheta; p alheta; A resistência mecânica para a temperatura de trabalho; tr abalho; O comportamento relacionado a vibração; e Resistência à corrosão/erosão.

De uma forma geral as palhetas de turbinas são fabricadas em aço inoxidável ferrítico. Suas principais características são:  boa resistência mecânica em temperaturas elevadas;   boa capacidade de amortecimento de vibrações; e   boa resistência à erosão. 

Materiais Empregados EXPANSORES Os expansores de uma turbina de ação podem estar colocados em um arco de expansores (primeiro estágio ou estágio único) ou em um anel de expansores. O arco de expansores usado no primeiro estágio de máquinas multi-estágio é obtido pela usinagem individual dos expansores, a partir de blocos de aço inoxidável ferrítico com 12% Cr. Estes expansores são então encaixados e soldados no arco de expansores. Os diafragmas dos estágios intermediários, onde a pressão é mais elevada, são soldados. Já os diafragmas dos estágios finais, onde a pressão é menor, são normalmente fundidos. Em ambos os casos os expansores são de aço inoxidável ferrítico com 12% Cr. As partes estruturais (externas e internas) são de aço carbono nos diafragmas fundidos.

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Materiais Empregados SELAGEM 

  Nas selagens externas para resistir à corrosão, em uma condição de condensação contínua de vapor, todos os componentes da selagem, como labirintos, espaçadores dos anéis de carvão, molas, devem ser de material resistente à corrosão,tais como aço inoxidável ou superligas de Cr-Ni como monel, inconel, hastelloy, etc.

MANCAIS a) Mancais radiais (apoio) Os casquilhos dos mancais de apoio podem ser de d e aço, bronze ou ferro fundido, sempre revestidos internamente por uma camada de metal  patente. Os moentes (ou colos) dos eixos (regiões de trabalho dos mancais radiais) devem ser usinados de maneira a apresentar um ótimo acabamento superficial, pois qualquer irregularidade poderá prejudicar  a formação da “bolsa” (filme) de óleo essencial ao correto funcionamento do mancal.

Materiais Empregados  b) Mancais de escora As pastilhas dos mancais de escora são revestidos de metal   patente. O colar de escora, sobre o qual se apóiam as  pastilhas, pode ser integral com o eixo ou não.   No primeiro caso o seu material será obviamente igual ao do eixo.   No segundo caso o colar de escora poderá ser de material diferente, ou receber um tratamento térmico diferente, visando aumentar sua dureza e diminuir seu desgaste.

Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor Os objetivos e metas a serem alcançados para o bom funcionamento de equipamentos e sistemas visa os seguintes aspectos: Aumentar o equilíbrio entre custo de operação e eficiência das máquinas; Aumentar a disponibilidade dos equipamentos (diminuição ao máximo os custos de perda de produção); e A diminuição do custo total. 

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Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor Alguns conceitos: 

Manutenção Preventiva: revisões revisões baseadas em horas equivalentes de operação e paradas programadas; Monitoramento de todas as condições e parâmetros de operação.

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Recuperação (“overhal”): Retrofit; Recuperação e a modernização/automação

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Manutenção: preservação e restauração à condição desejada, e determinação e avaliação da condição atual. 

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Inspeção: determinação e avaliação do estado atual do equipamento e de seus componentes; Revisão: restauração da condição inicial.

Desgastes em função do tempo Como conseqüência de reações físicas e/ou químicas, todos componentes estão sujeitos a desgastes. Podem ser  classificados como: naturais, fadiga, corrosão e falhas e/ou rupturas repentinas (catastróficas).

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Conceito de Manutenção preventiva A partir da instalação e comissionamento da turbina, considerando que os testes de performance serão realizados regularmente em total concordância com as instruções de operação e nenhuma irregularidade foi encontrada, devem ser realizadas:   

Inspeções; Revisão parcial; Revisão Completa (Overhaul)

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Fatores que influenciam no desgaste: Pelo produto: Materiais utilizados; Fator de segurança de projeto; e Qualidade da fabricação. Pelo processo: Qualidade do vapor; Temperatura de trabalho; Umidade do vapor; Partículas estranhas; e Procedimentos de paradas e partidas. Pelo modo de operação: Carga parcial e/ou sobrecarga; e Operação contínua ou intermitente. 

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Manutenção e Reparo de Turbinas a Vapor

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SEGMENTOS INJETORES Alguns problemas possíveis: bordas de saída do vapor  desgastadas devido a impacto de partículas sólidas; impacto  por elementos sólidos. 

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PALHETAS E LABIRINTOS 

Corrosão (“pittings”);

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Impactos por objetos ou partículas estranhas;

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Incrustações;

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Aumento das folgas devido a desgaste;

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Erosão;

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Desgaste do material por erosão/corrosão.

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MANCAIS Desagregação de metal patente; Trincas e defeitos no metal patente: fabricação. 

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